Wie viel trägt elektromagnetische Strahlung zur Dunklen Materie bei?

EM-Strahlung hat eine relativistische Masse (siehe zum Beispiel Übt ein Photon eine Gravitationskraft aus? ) und übt daher eine Gravitationskraft aus.

Intuitiv ist es sinnvoll, die EM-Strahlung selbst in die galaktische Masse einzubeziehen, die zur Berechnung von Rotationskurven verwendet wird, aber ich habe das noch nie zuvor gesehen ...

Also: Wenn wir die gesamte in einer Galaxie vorhandene elektromagnetische Strahlung zusammenfassen würden, welchen Anteil der Dunklen Materie würde sie ausmachen?

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Ich fand es überraschend schwierig, eine verbindliche Aussage über die Dichte des CMB zu finden. Laut diesem Artikel geht es um 5 × 10 − 34 G   C M − 3 , und da die kritische Dichte irgendwo in diesem Bereich liegt 10 − 30 Zu 10 − 29 G   C M − 3 Photonen leisten keinen signifikanten Beitrag.

Photonen wären natürlich nicht dunkel. Wenn es genug Photonen gäbe, um einen signifikanten Beitrag zur Masse/Energie des Universums zu leisten, würden wir sie sehen, genauso wie wir das CMB sehen können.

Antwort auf Kommentar : Hoppla, ja, ich habe Ihre Frage nicht richtig gelesen - Entschuldigung!

Wie auch immer, mein Kommentar, dass Photonen keine dunkle Materie sind, gilt immer noch, aber es ist einfach, den Gravitationsbeitrag der EM-Strahlung zB im Sonnensystem abzuschätzen. Die Sonne wandelt sich um 4 × 10 9 kg Materie in Energie pro Sekunde . Da wiegt es ca 2 × 10 30 kg pro Sekunde verliert es ca 2 × 10 − 19 % seiner Masse jede Sekunde.

Wenn Sie bereit sind anzunehmen, dass die Photonendichte im Sonnensystem von der Leistung der Sonne dominiert wird (was plausibel erscheint), und die Größe des Sonnensystems als Neptuns Umlaufbahn annehmen, dh 1.5 × 10 4 Lichtsekunden dann ist die Masse/Energie von Photonen im Sonnensystem 3 × 10 − 15 % der Sonnenmasse. Es ist also völlig unbedeutend.

Der Grund, warum Photonen einen viel geringeren Beitrag zum Sonnensystem leisten als zum Universum als Ganzes, liegt darin, dass die Masse im Sonnensystem viel stärker konzentriert ist als im Universum als Ganzes.

Zugegeben, aber das ist für das CMB. Aber ich fragte nicht nach dem EM-Beitrag auf kosmologischer Ebene, sondern auf galaktischer Ebene. Also, frei umformuliert: Was ist die effektive Gravitationsmasse eines Sternensystems? Ich vermute, der Radius der gesamten Gravitationsmasse eines Sterns wäre wesentlich größer als nur die Masse des Sterns selbst, während wir den Stern selbst beobachten (durch Wechselwirkungen mit anderen Objekten).
Die Sonnenmasse M S = 1.989 × 10 30   k G , und seine erwartete Lebensdauer ist herum T S ≈ 10 9   j = 3.16 × 10 17   S . Dann wäre die gesamte Gravitationsmasse, die als EM-Strahlung emittiert wird 4 × 10 9 T S / M S ≈ 10 − 3 M S . Die Sonne hätte also ungefähr ein Tausendstel ihrer Masse in EM umgewandelt. Zugegeben, das ist alles ziemlich simpel, nichtsdestotrotz trägt allein die Sonne 0,1 % ihrer Masse zu dem gravitativen „Glibber“ zwischen den Sternen bei. Angenommen, diese Zahl wäre 10-fach durch die lebenslangen Alpha/Beta/Neutrino-Emissionen ... das ist nicht unbedeutend.
Die Sache ist, dass die Milchstraße, die eine ziemlich große Galaxie ist, nur ungefähr ist 10 5 Lichtjahre breit, also nur das letzte 10 5 Sonnenstrahlung im Wert von Jahren befindet sich immer noch in der Galaxie. Die gesamte von der Sonne während ihres Lebens emittierte Strahlung würde sich über eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 10 Milliarden Lichtjahren verteilen. Das macht es im Vergleich zur Masse der Sonne gravitativ unbedeutend, es sei denn, Sie betrachten Längenskalen von über einer Milliarde Lichtjahren.
Das stimmt natürlich. Ich hatte nicht erwartet, dass es viel sein würde, und tatsächlich scheint der Beitrag ziemlich gering zu sein. Ich betrachte diesen Fall als abgeschlossen.
@JohnRennie Aber natürlich musst du das mit der Anzahl der Sterne in der Milchstraße multiplizieren. Oder wenn Sie die Masse nehmen, die die Sonne jede Sekunde verliert, und mit der Zeit multiplizieren, die das Licht braucht, um die Milchstraße zu durchqueren, was ungefähr ist 3 × 10 14 Sekunden, das kommt ungefähr 6 × 10 − 5 % der Galaxienmasse als Photonen im Transit. Dabei wird natürlich das Licht anderer Galaxien vernachlässigt, die eine geringere durchschnittliche Leuchtkraft haben als lokale Quellen. (Eigentlich hat Robs Antwort eine bessere Schätzung unter Verwendung der Leuchtkraft unserer Galaxie)

Die Leuchtkraft der Galaxie wird derzeit auf rund geschätzt 5 × 10 36 W und damit ein integrierter „Massenverlust“ in Form von Strahlung der Ordnung 10 − 3 M ⊙ /Jahr. Aber wie viel Strahlung ist in der Galaxie vorhanden? Eine Schätzung der Größenordnung könnte lauten, dass die Galaxie (einschließlich der Dunklen Materie) einen Radius in der Größenordnung von 100.000 Lichtjahren hat und daher eine Masse von etwa 100.000 Jahren in Form von Strahlung enthält - dh etwa 100 M ⊙ .

Wenn der CMB eine "Massendichte" von hat 5 × 10 − 34 g/cm 3 , beträgt die äquivalente Masse von CMB-Photonen im gleichen Volumen einige hundert M ⊙ .

Diese Zahlen sind unheimlich ähnlich und natürlich sind beide im gravitativen Ordnungssinn von 1 Teil völlig vernachlässigbar 10 10 .

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